[发明专利]一种用于微喷射打印的超音速喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷嘴，确切的说涉及一种基于冷喷涂原理的微喷射打印超音速喷嘴。

背景技术

近年以来,微型制造(Micro一manufacture)这一新的概念被引入到材料设计与研究中来,正在成为学术界和工业界关注的热点.而随着所需制品形状向复杂化、微形化发展，对制造技术提出了新的挑战，只有利用新的无模成型,特别是喷射打印技术才有望获得成功。

喷射打印技术是一种增材制造解决方案，利用空气动力学原理聚焦于精确纳米/微米级材料的沉积，通常是将待成型的材料经过相应的前处理后,通过打印机将其直接打印到载体上成型,成型体的形状和尺寸由计算机控制.它可用于块体材料成型,更适合于薄膜材料成型.其工作过程是,首先，将三维物理模型进行切片处理,并将这些图像转化为可执行的二维像素文件,作为指令输出给打印设备.然后，打印设备根据计算机的指令,逐层打印这些二维图像,层层累积以获得三维模型物体.喷射打印是一种非接触式打印过程,成型体的精度由喷嘴直径控制,一般为25-75um。常用的喷射打印材料为利用专门配制而成的“墨水”。例如：工业级3D打印机制造商，Optomec日前成功申请一项美国专利——微型气溶胶喷射和气溶胶喷射数组，专利编号：#8640975，并将该技术利用来生产精细的功能电路和嵌入元件以及无需使用模具即可嵌入元件，这样一来就缩小了电子系统的总尺。以色列Objet公司于2000年初推出的PolyJet聚合物喷射专利技术，其成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一。

随着技术的日益进步，喷射打印的材料也变得更加多样化，例如基于冷喷涂原理的微喷射打印成形，其具有喷涂效率高、速度快、形成涂层强度高等优点。冷喷涂成形的基本原理是高压气体通过缩放喷管Laval喷管产生超音速（ 300-1200 m/s）流动，超细固体粉末粒子从轴线方向送入气流中，粉末粒子 （1-50 μm ）被高速气流加速，以完全固体状态撞击基体表面，通过较大的塑性变形使得粉末粒子沉积在基体上并形成涂层，层层累积后形成整个三维实体。

虽然，采用这种成形方法所得到单层二维平面薄膜单元，相对于采用其他传统的方法所形成的层单元具有更好的附着力且导电性、导热性等特性也更好，但是，在使用冷喷涂方法进行成形的过程中，因拉伐尔喷管独特的结构，使的喷涂粉体易附在其喉部不易清理，形成阻塞，严重影响喷涂设备的使用。为解决上述问题，研究人员进行了大量的研究，并开发出各种冷喷涂用喷嘴。例如专利号200510083138.3公布了一种冷喷涂用喷嘴，其具有截面积收敛的收敛引入部，与收敛部相连的喉部以及出口部、喷射管等，为防止堵塞，其喷射管位于喉部或超过该喉部的出口部内。专利号200510030207.4和00253384.7均公开了一种冷喷涂用喷嘴，上述喷嘴在一定程度上解决了喷涂过程中粉体阻塞喷嘴的难题。然而上述喷嘴也存在流量较大、超音速段距离较短、喷嘴出口射流汇聚性不好等问题，尤其是在微电子领域，当需要采用冷喷涂方法形成薄膜单元时就更加要求粉体射流具有较大的速度的同时，汇聚性也要好。显然，现有的喷嘴很难满足喷射打印技术要求，有必要开发一种新型的喷嘴。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的用于微喷射打印的超音速喷嘴在制备高品质薄膜层单元的过程中，流量较大、超音速段距离较短、喷嘴出口射流汇聚性不好，易造成堵塞等问题，提供一种用于微喷射打印的超音速喷嘴。

    本发明通过下述技术方案来实现，它主要包括：拉伐尔喷管、锁紧块、气室体、压力探头接口、气源入口、温度探头接口、U型塞、送粉管、紧固螺栓、环形栅网，拉伐尔喷管和气室体通过锁紧块连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓固定，气室体的前端上、下对称分布有压力探头接口、温度探头接口，气室体末端对称斜插有多个气源入口，尾部通过U型塞安装有同轴送粉管，在拉伐尔喷管和气室体的接触点设置有环形栅网，高压气体和粉体在拉伐尔喷管内汇聚并喷出。

    所述的拉伐尔喷管整体内流道为规整的流线型，其头部设置有半椭圆形的收敛段，收敛段后设置有喉部，喉部与发散段连接，发散段与平直段连接，平直段后设置有微收敛段。

平直段的长度大于微收敛段大于发散段大于收敛段；其中，平直段的长度为30-80mm，微收敛段的长度为10-30mm，发散段的长度为10-26mm，收敛段的长度为10-24mm。